GB/T 31292-2014 碳纤维 碳含量的测定 燃烧吸收法

　　ICS 59. 100.20 Q 36

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 31292—2014

　　碳纤维 碳含量的测定 燃烧吸收法

　　Carbon fibre—Determination ofcarbon content—

　　Combustion absorption method

　　2014-12-05发布 2015-10-01实施

　　中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中 国 国 家 标 准 化 管 理 委 员 会

　　发

　　布

　　GB/T 31292—2014

　　前 言

　　本标准按照 GB/T 1. 1—2009给出的规则起草 。

　　本标准由中国建筑材料联合会提出 。

　　本标准由全国玻璃纤维标准化技术委员会(SAC/TC245)归 口 。

　　本标准起草单位 :南京玻璃纤维研究设计院有限公司 、广州金发碳纤维新材料发展有限公司 、国家玻璃纤维产品质量监督检验中心 。

　　本标准参加起草单位 :威海拓展纤维有限公司 。

　　本标准主要起草人 :李勇 、王玉梅 、陈尚 、杨勇 、周琴 、王玲 、廖兵 、李志鹏 。

　　碳纤维 碳含量的测定 燃烧吸收法

　　1 范围

　　本标准规定了燃烧吸收法测定碳纤维中碳含量的方法 。

　　本标准适用于碳纤维丝束 、长丝 、短纤维 、机织物 、编织物和针织物等碳纤维及制品 。

　　2 规范性引用文件

　　下列文件对于本文件的应用是必不可少的 。凡是注 日期的引用文件 ,仅注 日期的版本适用于本文件 。凡是不注日期的引用文件 ,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。

　　GB/T 14599 纯氧 、高纯氧和超纯氧

　　GB/T 29761 碳纤维 浸润剂含量的测定

　　3 原理

　　碳在氧气中燃烧生成二氧化碳 ,用吸收剂吸收所产生的二氧化碳 , 由吸收剂的增量计算碳的质量分数 。

　　4 试样制备

　　4. 1 试样预处理

　　碳纤维应按 GB/T 29761的规定除去碳纤维的浸润剂 。必要时用蒸馏水清洗后于 105 ℃ ~ 110 ℃烘干 ,置于干燥器中冷却至室温备用 。

　　4.2 试样粉碎

　　将样品剪成小于 0. 5 mm 的小段或用玛瑙研钵研磨至 0. 5 mm 以下 ,不少于 1 g,混匀 。将粉碎的试样放入称量瓶中 ,于 105 ℃ ~ 110 ℃烘箱中烘干至恒重 ,置于干燥器中备用 。

　　5 试剂与材料

　　5. 1 铬酸铅 ,分析纯 ,将铬酸铅放入烧杯中 ,用蒸馏水调成糊状 ,放入烘箱 ,80 ℃保持 0. 5 h,制成直径为1 cm 的球体 ,置于马弗炉中 ,在 600 ℃下灼烧 1 h,取出 ,冷却 。

　　5.2 线状氧化铜 ,分析纯 ,长约 5 mm。

　　5.3 银丝卷 ,高纯 ,丝直径约 0. 2 mm ,将其卷成长度约 30 mm ,直径约 22 mm 的实心圆柱体 。

　　5.4 铜丝卷 ,高纯 ,取 125 目的铜网 ,将其卷成长度约 30 mm ,直径约 22 mm 的实心圆柱体 。

　　5.5 碱石棉 ,分析纯 。

　　5.6 粒状二氧化锰 ,分析纯 ,取粒度 0. 5 mm~2 mm ,在 150 ℃ ±3 ℃下干燥 2 h~ 3 h。

　　5.7 三氧化钨 ,分析纯 。

　　5. 8 钠石灰 ,分析纯 ,使用前在 105 ℃ ~ 110 ℃下干燥不小于 1 h。

　　GB/T 31292—2014

　　5.9 无水氯化钙 ,分析纯 。

　　5. 10 硫酸 ,分析纯 。

　　5. 11 纯氧 ,符合 GB/T 14599的规定 。

　　5. 12 燃烧舟 ,素瓷或石英制成 , 内槽宽不小于 10 mm ,长不小于 90 mm ,壁厚 2 mm。

　　6 仪器

　　6. 1 碳含量测定仪

　　6. 1. 1 碳含量测定仪由氧气净化系统 、燃烧系统 、二氧化碳吸收系统三个部分组成 ,结构如图 1所示 。

　　说明 :

　　Ⅰ — 氧气净化系统 ; 7 — 线性氧化铜 ;

　　Ⅱ — 燃烧系统 ;

　　Ⅲ — 二氧化碳吸收系统 ;

　　1 — 气体干燥塔 ;

　　2 — 流量计 ;

　　3 — 硅橡胶塞 ;

　　4 — 铜丝卷 ;

　　5 — 燃烧舟 ;

　　6 — 燃烧管 ;

　　8 — 铬酸铅 ;

　　9 — 银丝卷 ;

　　10— 吸水 U形管 ;

　　11— 除氮 U形管 ;

　　12— 吸收二氧化碳 U形管 ;

　　13— 空 U形管 ;

　　14— 气泡计 ;

　　15— 三节炉及控温装置 。

　　图 1 碳含量测定仪示意图

　　6. 1.2 氧气净化系统(以下简称净化系统) , 由以下两部分组成 :

　　a) 气体干燥塔 ,见图 1 中 A 和 B。 A 上 半 部 分 装 无 水 氯 化 钙 , 下 半 部 分 装 碱 石 棉 ; B 装 无 水 氯化钙 ;

　　b) 流量计 ,最大流量 150 mL/min。

　　6. 1.3 燃烧系统 , 由带有控温装置的三节炉和燃烧管组成 :

　　a) 控温三节炉 ,炉膛直径 40 mm ,第一节长 230 mm ,可加热到(850±10) ℃ ,可沿水平方向移动 ;第二节长 330 mm~ 350 mm ,可加热到(800±10) ℃;第三节长 130 mm~ 150 mm ,可加热到(600±10) ℃ ;

　　b) 燃烧管 ,不锈钢管或石英管 ,长约 800 mm , 内径 20 mm~ 22 mm ,壁厚约 2 mm ,两端附有硅橡

　　胶塞密封 。

　　6. 1.4 二氧化碳吸收系统(以下简称吸收系统) , 由数个硅橡胶管串联的 U形管组成 :

　　a) 除水 U形管 ,形状及尺寸见图 2, 内装无水氯化钙 ;

　　b) 除氮 U形管 ,形状及尺寸见图 3,前 2/3装粒状二氧化锰 ,后 1/3装无水氯化钙 ;

　　c) 吸收二氧化碳 U形管 , 由两个相同的 U形管串联 ,形状及尺寸见图 4。每个 U 形管前 2/3装钠石灰 ,后 1/3装无水氯化钙 ;

　　d) 空 U形管 ,形状和尺寸与吸收二氧化碳 U形管相同 ,详见图 5,空置 ;

　　e) 气泡计 :容量约 10 mL, 内装浓硫酸 。

　　图 2 除水 U 形管 图 3 除氮 U 形管

　　图 4 吸收二氧化碳 U 形管 图 5 空 U 形管

　　6.2 分析天平

　　精确到 0. 1 mg,最大称样量不小于 200 g。

　　7 试验准备

　　7. 1 净化系统和吸收系统的充填和连接

　　在净化系统和吸收系统各组成部分的容器中装入相应的试剂 ,接口处涂少量真空硅脂 ,分别称取两个二氧化碳吸收 U形管质量 ,精确至 0. 1 mg,记为 m10和 m20 。按图 1所示顺序连接 。

　　7.2 燃烧管的填充

　　从燃烧管出气口端起 ,空 50 mm ,依次充填 30 mm 银丝卷 ,30 mm 铜丝卷 ,130 mm~ 150 mm 铬酸铅 ,30 mm 铜丝卷 ,330 mm~ 350 mm 线状 氧 化 铜 , 30 mm 铜 丝 卷 , 空 310 mm ,再 填 充 100 mm 铜 丝卷 。两端用插有玻璃管的硅橡胶塞封堵 ,用硅橡胶管分别与净化系统和吸收系统连接 。燃烧管填充示意图见图 6。

　　单位为毫米

　　说明 :

　　1、2、4、6— 铜丝卷 ; 3— 线状氧化铜 ;

　　5 — 铬酸铅 ; 7— 银丝卷 。

　　图 6 燃烧管填充示意图

　　7.3 气密性检查

　　按图 1所示将净化系统 、燃烧系统和吸收系统连接 ,将整个装置中所有的旋塞阀打开 ,接通氧气 ,调节氧气流量为 120 mL/min。关闭吸收系统中的空 U 形管旋塞阀 ,若氧气流量降至 20 mL/min 以下 ,则认为整个系统气密性可靠 ;否则 ,应逐个检查整个装置的各个连接处 、旋塞阀 ,直至查出漏气处 ,予以解决 。

　　8 试验步骤

　　8. 1 试验次数

　　同一试样 ,至少独立测定两次 。

　　8.2 空白试验

　　8.2. 1 各 节 炉 的 位 置 如 图 6 所 示 , 通 电 升 温 , 打 开 装 置 中 所 有 的 旋 塞 阀 , 接 通 氧 气 , 调 节 流 量 为120 mL/min,试验过程中始终保持此流量 。

　　8.2.2 在升温过程中将第一节炉在燃烧管上可移动的部位轮流保持数分钟 。 待燃烧系统中各节炉的

　　温度达到 6. 1. 2 中所述的温度后 ,将第一节炉移至初始位置 。

　　8.2.3 称取 0. 20 g三氧化钨置于燃烧舟中 ,打开燃烧管进气口的硅橡胶塞 ,取出铜丝卷 ,将燃烧舟推至第一节炉入口处 ,放入铜丝卷 ,塞紧硅橡胶塞 ,移动第一节炉 ,使燃烧舟位于炉子中心 ,20 min后将第 一节炉移回原位 。

　　8.2.4 2 min后关闭吸收系统所有的旋塞阀 ,取下两个吸收二氧化碳 U 形管 ,用绒布擦净 ,置于密封容器内 , 10 min后分别称量 ,精确至 0. 1 mg。若第二个吸收二氧化碳 U形管质量增加超过 0. 050 g,应更换第一个 U形管中的二氧化碳吸附剂 。

　　8.2.5 重复 8. 2. 3 和 8. 2. 4 的步骤 ,直至两个吸收二氧化碳 U形管质量变化不超过 0. 000 5 g,最后一次称量的吸收二氧化碳 U形管质量即为空白值 ,记为 m11和 m21 。

　　注 : 空气湿度大时 ,U 型管的质量波动较大 ,可置于装有硅胶的密闭容器内 。

　　8.3 样品测试

　　8.3. 1 紧接空白试验 ,将各节炉温稳定至 6. 1. 2 中所述的温度 。

　　8.3.2 称取 0. 1 g试样 ,精确至 0. 1 mg,置于灼烧过的燃烧舟中 ,再称取 0. 20g三氧化钨 ,均匀覆盖在试样上 。

　　8.3.3 打开硅橡胶塞 ,取出铜丝卷 ,迅速将燃烧舟放入燃烧管中 ,使其前端刚好在第一节炉炉 口 ,再放入铜丝卷 ,塞上硅橡胶塞 ,保持氧气流量为 120 mL/min。

　　8.3.4 2 min后向净化系统移动第一节炉 ,使燃烧舟一半进入炉子 ;3 min后 ,移动炉体 ,使燃烧舟全部进入炉子 ;再过 2 min后 ,使燃烧舟位于第一节炉中央 ,保温 20 min后 ,再将第一节炉移回原位 。

　　8.3.5 2 min后关闭吸收系统所有的旋塞阀 ,取下两个吸收二氧化碳 U 形管 ,用绒布擦净 ,置于密封容器内 ,10 min后分别称量 ,精确至 0. 1 mg。记为 m12和 m22 。

　　8.4 结果计算

　　碳纤维中的碳含量按式(1)计算 :

　　C

　　式中 :

　　C — 碳纤维中碳含量 , % ;

　　m11 、m21 — 试验前吸收二氧化碳 U形管的质量 ,单位为克(g) ;

　　m12、m22 — 试验结束后吸收二氧化碳 U形管的质量 ,单位为克(g) ;

　　m — 试样质量 ,单位为克(g) ;

　　0. 272 9 — 二氧化碳换算成碳的系数 。

　　取两次试验结果的算术平均值作为测试结果 ,结果保留至小数点后两位 。

　　9 精密度

　　重复性限为 0. 50% 。 由于缺少不同实验室间的数据 ,暂不给出本方法的再现性限 。

　　10 试验报告

　　试验报告应包括以下内容 :

　　a) 样品标识 、状态等 ;

　　b) 使用的标准 ;

　　c) 分析结果及表示 ;

　　d) 测定观察到的异常现象 ;

　　e) 与基本步骤的差异 ;

　　f) 试验日期 。